CN104184468B - 一种基于环形结构的双推‑推压控振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于环形结构的双推‑推压控振荡器。利用四级反相放大器构成的环形振荡器中输出信号之间的相位关系、结合谐波选择元件抽取各输出信号中的四次谐波，再把其中同相的信号两两功率合成后形成差分输出，构建差分输出的双推‑推压控振荡器，该结构在工艺受限情况下，可以有效提高差分本振输出信号的频率和功率，为毫米波、亚毫米波、特别是太赫兹频段收发前端提供高品质差分本振信号。
Description
技术领域
本发明属于微电子学技术领域，涉及一种基于环形结构的双推-推压控振荡器。
背景技术
太赫兹(TeraHertz,THz)波是指频率在0.1～10THz(波长0.03-3mm)范围内的电磁波，其波段介于微波与远红外光之间，是电磁波频谱中有待研究的最后一个频谱窗口。太赫兹波结合了微波和红外光波的诸多优点，具有很多特殊的性质，如瞬态性、宽带性、相干性和很好的穿透性等，因此太赫兹频段在医学成像、高速无线通信、雷达遥感探测、反恐缉毒等领域具有重大的应用前景和独特的优势。太赫兹源是实现太赫兹应用的瓶颈，也是太赫兹研究中最基本和最急迫的问题。基于光子学和真空电子学的太赫兹源具有输出波长短、辐射功率高等优点，在远距离成像和非破坏高穿透波普研究等领域得到应用；但存在所需设备的体积庞大、能耗高、输出稳定性差等缺点，应用领域受到限制。随着半导体工艺的进步和器件性能的快速提高，太赫兹单片集成电路(TeraHertz Monolithic IntegratedCircuits,TMIC)成为实现高稳定、可调谐、小型化太赫兹源的有效方式。相对GaAs、InP等II I-IV族化合物工艺，硅基CMOS工艺更具有成本低、集成度高、功耗低等优势。因此，对硅基CMOS太赫兹信号源展开研究具有重要的科学意义和广阔的应用前景。
压控振荡器是实现太赫兹信号源的关键电路，压控振荡器的性能决定着太赫兹信号源的输出频率、输出功率和功耗等。其中，对CMOS工艺实现的太赫兹信号源而言，由于有源器件截止频率的限制，压控振荡器的输出频率受限，目前已报到的基于CMOS工艺实现的振荡器的最高输出频率小于400GHz。为了在给定工艺下实现更高频率的输出，可以采用推-推的方式抽取振荡器输出信号中的二次谐波分量，如图1所示。在这种结构中，振荡器中的有源器件工作在输出信号频率的1/2处，因此在相同的工艺情况下振荡器的输出频率可以提高两倍。另一种产生更高频率震荡信号的电路为双推-推压控振荡器，如图2所示。该振荡器抽取振荡器输出信号中的四次谐波分量，振荡器中的有源器件工作在输出信号频率的1/4处，因此在相同的工艺情况下振荡器的输出频率可以提高四倍。但上述推-推压控振荡器或双推-推压控振荡器的缺点是只能输出单端信号，在需要差分信号的场合不适用。另一方面，CMOS器件较低的击穿电压、衬底损耗等也导致CMOS太赫兹信号源的输出功率较低。对推-推压控振荡器来说，由于输出信号为震荡信号的二次谐波，输出信号功率很低；对双推-推压控振荡器，其输出信号的功率更低。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于环形结构的双推-推压控振荡器。利用四级反相放大器构成的环形振荡器中输出信号之间的相位关系、结合谐波选择元件抽取各输出信号中的四次谐波，再把其中同相的信号两两功率合成后形成差分输出，构建差分输出的双推-推压控振荡器；
本发明一种基于环形结构的双推-推压控振荡器包括四级延迟单元和两个谐波选择单元，第一级延迟单元的第一输出端连接第二级延迟单元的同相输入端，第一级延迟单元的第二输出端连接第二级延迟单元的反相输入端；第二级延迟单元的第一输出端连接第三级延迟单元的同相输入端，第二级延迟单元的第二输出端连接第三级延迟单元的反相输入端；第三级延迟单元的第一输出端连接第四级延迟单元的同相输入端，第三级延迟单元的第二输出端连接第四级延迟单元的反相输入端；第四级延迟单元的第一输出端连接第一级延迟单元的反相输入端，第四级延迟单元的第二输出端连接第一级延迟单元的同相输入端；第一级延迟单元的外部电压控制端、第二级延迟单元的外部电压控制端、第三级延迟单元的外部电压控制端、第四级延迟单元的外部电压控制端连接，作为双推-推压控振荡器的电压控制端；第一级延迟单元的第三输出端连接第一谐波选择单元的第一输入端；第二级延迟单元的第三输出端连接第二谐波选择单元的第二输入端；第三级延迟单元的第三输出端连接第一谐波选择单元的第二输入端；第四级延迟单元的第三输出端连接第二谐波选择单元的第一输入端。第一谐波选择单元的第三输入端、第二谐波选择单元的第三输入端接电源VDD。
每级延迟单元包括四个NMOS管、两个变容管和两个电感。第一NMOS管的栅极、第二NMOS管的漏极、第四NMOS管的漏极、第二变容管的一端和第二电感的一端连接，作为延迟单元的第二输出端；第二NMOS管的栅极、第一NMOS管的漏极、第三NMOS管的漏极、第一变容管的一端和第一电感的一端连接，作为延迟单元的第一输出端；第三NMOS管的栅极接延迟单元的同相输入端；第四NMOS管的栅极接延迟单元的反相输入端；第一电感的另一端与第二电感的另一端相连，作为延迟单元的第三输出端；第一变容管的另一端与第二变容管的另一端连接，作为延迟单元的外部电压控制端；
每个谐波选择单元包括三段传输线，第一传输线的一端作为谐波选择单元的第一输入端；第二传输线的一端作为谐波选择单元的第二输入端；第三传输线的一端作为谐波选择单元的第三输入端；第一传输线的另一端、第二传输线的另一端和第三传输线的另一端连接，作为谐波选择单元的输出端；
所述的第一传输线、第二传输线和第三传输线的长度为四级延迟单元所构成环路的震荡信号四次谐波频率处波长的1/4。
本发明在输出四次谐波提高输出信号频率的基础上，实现了输出信号功率的增加和差分的输出形式。
附图说明
图1为一种单端输出推-推压控振荡器结构；
图2为一种单端输出双推-推压控振荡器结构；
图3为本发明基于环形结构的双推-推压控振荡器结构；
图4为图3中延迟单元的结构；
图5为图3中谐波选择单元的结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图3所示，本发明一种基于环形结构的双推-推压控振荡器包括四级延迟单元和两个谐波选择单元，第一级延迟单元D1的第一输出端Vout+连接第二级延迟单元D2的同相输入端Vin+，第一级延迟单元D1的第二输出端Vout-连接第二级延迟单元D2的反相输入端Vin-；第二级延迟单元D2的第一输出端Vout+连接第三级延迟单元D3的同相输入端Vin+，第二级延迟单元D2的第二输出端Vout-连接第三级延迟单元D3的反相输入端Vin-；第三级延迟单元D3的第一输出端Vout+连接第四级延迟单元D4的同相输入端Vin+，第三级延迟单元D3的第二输出端Vout-连接第四级延迟单元D4的反相输入端Vin-；第四级延迟单元D4的第一输出端Vout+连接第一级延迟单元D1的反相输入端Vin-，第四级延迟单元D4的第二输出端Vout-连接第一级延迟单元D1的同相输入端Vin+；第一级延迟单元D1的外部电压控制端Vtune、第二级延迟单元D2的外部电压控制端Vtune、第三级延迟单元D3的外部电压控制端Vtune、第四级延迟单元D4的外部电压控制端Vtune连接，作为双推-推压控振荡器的电压控制端Vctrl；第一级延迟单元D1的第三输出端Vext连接第一谐波选择单元S1的第一输入端Vin1；第二级延迟单元D2的第三输出端Vext连接第二谐波选择单元S2的第二输入端Vin2；第三级延迟单元D3的第三输出端Vext连接第一谐波选择单元S1的第二输入端Vin2；第四级延迟单元D4的第三输出端Vext连接第二谐波选择单元S2的第一输入端Vin1。第一谐波选择单元S1的第三输入端VDC、第二谐波选择单元S2的第三输入端VDC接电源VDD。
如图4所示，每级延迟单元包括四个NMOS管、两个变容管和两个电感。第一NMOS管MN1的栅极、第二NMOS管MN2的漏极、第四NMOS管MN4的漏极、第二变容管Cvar2的一端和第二电感L2的一端连接，作为延迟单元的第二输出端Vout-；第二NMOS管MN2的栅极、第一NMOS管MN1的漏极、第三NMOS管MN3的漏极、第一变容管Cvar1的一端和第一电感L1的一端连接，作为延迟单元的第一输出端Vout+；第三NMOS管MN3的栅极接延迟单元的同相输入端Vin+；第四NMOS管MN4的栅极接延迟单元的反相输入端Vin-；第一电感L1的另一端与第二电感L2的另一端相连，作为延迟单元的第三输出端VDC；第一变容管Cvar1的另一端与第二变容管Cvar2的另一端连接，作为延迟单元的外部电压控制端Vtune；
如图5所示，每个谐波选择单元包括三段传输线，第一传输线T1的一端作为谐波选择单元的第一输入端Vin1；第二传输线T2的一端作为谐波选择单元的第二输入端Vin2；第三传输线T3的一端作为谐波选择单元的第三输入端VDC；第一传输线T1的另一端、第二传输线T2的另一端和第三传输线T3的另一端连接，作为谐波选择单元的输出端Vout；
在本发明中，延迟单元中的第一电感L1、第二电感L2、第一变容管Cvar1、第二变容管Cvar2、第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2构成一个电容电感型压控振荡器；第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4作为延迟单元的输入，实现各延迟单元间的互联以构成环路；
在本发明中，环路结构各延迟单元的输出信号相位如图3所示。根据环路的特点，延迟单元输出信号和输入信号间的相位差为180o+45o，各延迟单元输出信号的相位为(N-1)x(180o+45o),其中N为延迟单元的级数。再根据延迟单元输出信号中四次谐波分量与基波分量间的相位关系，可以得到各延迟单元第三输出端口的输出信号中四次谐波分量的相位为(N-1)x180o,其中N为延迟单元的级数。这样，第一延迟单元的第三输出端口信号中四次谐波分量、第三延迟单元的的第三输出端口信号中四次谐波分量相位相同(相位为0o)；第二延迟单元的第三输出端口信号中四次谐波分量、第四延迟单元的的第三输出端口信号中四次谐波分量相位相同(相位为180o)。
在本发明中，谐波选择单元的第一传输线T1、第二传输线T2和第三传输线T3的长度为4f0频率处信号波长的1/4,其中f0为由第一延迟单元D1、第二延迟单元D2、第三延迟单元D3和第四延迟单元D4所构成环路的震荡频率；T1/T3的总长度及T2/T3的总长度为4f0频率处信号波长的1/2，使四次谐波信号从输入端到地看到的阻抗为零，有利于四次谐波的有效输入；由于两路输入信号Vin1和Vin2中四次谐波分量为同相信号，两路同相信号幅度叠加从Vout输出；同时，T3的长度为4f0频率处信号波长的1/4，四次谐波从三条传输线公共端到地看到的阻抗为无穷大，有利于四次谐波的有效输出；该谐波选择单元实现第一输入信号Vin1中四次谐波分量、第二输入信号Vin2中四次谐波分量的抽取和上述两路四次谐波信号功率的合成。由于环形结构中输入信号的相位关系，两个谐波选择单元S1、S2的输出信号相位相反；因此，本发明在输出四次谐波提高输出信号频率的基础上，实现了输出信号功率的增加和差分的输出形式。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例做了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应该被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替换都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (2)
1.一种基于环形结构的双推-推压控振荡器，其特征在于：包括四级延迟单元和两个谐波选择单元，第一级延迟单元的第一输出端连接第二级延迟单元的同相输入端，第一级延迟单元的第二输出端连接第二级延迟单元的反相输入端；第二级延迟单元的第一输出端连接第三级延迟单元的同相输入端，第二级延迟单元的第二输出端连接第三级延迟单元的反相输入端；第三级延迟单元的第一输出端连接第四级延迟单元的同相输入端，第三级延迟单元的第二输出端连接第四级延迟单元的反相输入端；第四级延迟单元的第一输出端连接第一级延迟单元的反相输入端，第四级延迟单元的第二输出端连接第一级延迟单元的同相输入端；第一级延迟单元的外部电压控制端、第二级延迟单元的外部电压控制端、第三级延迟单元的外部电压控制端、第四级延迟单元的外部电压控制端连接，作为双推-推压控振荡器的电压控制端；第一级延迟单元的第三输出端连接第一谐波选择单元的第一输入端；第二级延迟单元的第三输出端连接第二谐波选择单元的第二输入端；第三级延迟单元的第三输出端连接第一谐波选择单元的第二输入端；第四级延迟单元的第三输出端连接第二谐波选择单元的第一输入端；第一谐波选择单元的第三输入端、第二谐波选择单元的第三输入端接电源VDD；所述的每个谐波选择单元包括三段传输线，第一传输线的一端作为谐波选择单元的第一输入端；第二传输线的一端作为谐波选择单元的第二输入端；第三传输线的一端作为谐波选择单元的第三输入端；第一传输线的另一端、第二传输线的另一端和第三传输线的另一端连接，作为谐波选择单元的输出端；每个延迟单元包括四个NMOS管、两个变容管和两个电感；第一NMOS管的栅极、第二NMOS管的漏极、第四NMOS管的漏极、第二变容管的一端和第二电感的一端连接，作为延迟单元的第二输出端；第二NMOS管的栅极、第一NMOS管的漏极、第三NMOS管的漏极、第一变容管的一端和第一电感的一端连接，作为延迟单元的第一输出端；第三NMOS管的栅极接延迟单元的同相输入端；第四NMOS管的栅极接延迟单元的反相输入端；第一电感的另一端与第二电感的另一端相连，作为延迟单元的第三输出端；第一变容管的另一端与第二变容管的另一端连接，作为延迟单元的外部电压控制端。
2.根据权利要求1所述的一种基于环形结构的双推-推压控振荡器，其特征在于：所述的第一传输线、第二传输线和第三传输线的长度为四级延迟单元所构成环路的震荡信号四次谐波频率处波长的1/4。
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